基于遗传算法的平流层飞艇航迹规划方法研究

文章针对平流层飞艇驻空阶段航迹规划问题进行研究和仿真分析.考虑平流层飞艇自身飞行的特点,建立其运动学方程和风场模型,并在适当假设基础上,构造能够反映其飞行能耗的代价函数.最后采用遗传算法进行算例计算,求解平流层飞艇最优轨迹.仿真结果表明,遗传算法能够有效、快速地收敛并稳定至问题的最优解;其所构造的代价函数能够反映飞艇自...     

平流层卫星轨道控制系统研究

近年来,各国都在开展研究各类平流层飞行器。平流层卫星是一种新型低成本、低能 耗平流层飞行器,采用气动帆实现轨迹控制,在距离地面35Km高度沿东西方向环绕地球运动 。首先分析了平流层卫星运行的风场环境,给出了平流层卫星的组成以及轨迹控制原理 ,建立了球体运动学模型和气动帆运动学模型,并进行了不同风场条件下的仿真计算。仿真 结果表明：采用气动帆作为轨迹控制系统能够在风场突变干扰下实现平流层卫星南北方向的 稳定控制,确保其沿东西方向轨道运动。     

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题，将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段，建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型，该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化，为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础；考虑飞艇内部状态不能实时获取，提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法，为保证在线学习能力，采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析，阐述了控制飞艇压差的必要性；对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明，所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力，对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。     

基于螺旋桨系统的平流层飞艇复合控制系统

针对平流层飞艇采用螺旋桨推力／气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制与模糊逻辑的姿态控制设计方法。基于平流层飞艇控制系统的配置状况,建立了飞艇俯仰通道的动力学模型,并将该动力学控制系统分为气动力控制子系统和螺旋桨推力控制子系统两部分。整个控制系统采用自适应滑模控制理论进行设计,利用所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。并通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下控制力作用的大小,削除滑模控制产生的抖振。最后仿真结果表明,所提出的复合控制方案对平流层飞艇的姿态稳定具有良好的控制效果,从而验证了复合控制系统设计的有效性。
     

基于离子风电推进系统的平流层飞艇飞行轨迹分析

针对传统螺旋桨受大气密度等环境变化影响,推力和效率显著下降的特点,提出将新型离子风电推进系统应用于平流层飞艇,建立动力学模型和相应推力模型,通过Simulink模块开展轨迹跟踪与定点控制仿真,并对15 km到30 km高度上螺旋桨和离子风作为平流层飞艇主动力的飞行轨迹进行对比分析。结果表明,40 kW功率下,在20 km以上高度,离子风动力飞艇的飞行曲线偏移量与瞬态响应时间远小于螺旋桨动力飞艇。通过优化离子风推进器的结构,选取最佳电压和电极间隙,有可能实现离子风作为飞艇的主动力。     

复杂热环境下平流层飞艇高空驻留热动力学特性

热问题是平流层飞艇高空驻留期间面临的重点问题之一。分析了太阳辐射、地球反照和红外辐射等热环境因素的时变特征,提出了多节点平流层飞艇热动力学分析模型。该模型可较好地实现平流层飞艇昼夜热动力学特性仿真研究。计算结果表明,季节、纬度和大气对流等因素对平流层飞艇的热动力学特性有着重要影响。     

平流层飞艇定点保持模式控制方法研究

平流层飞艇作为执行高空长航时任务的平台近年来引起了全球范围的关注。平流层飞艇运行的技术难题之一就是其在定点保持模式下的自主定位和定姿问题。本文率先建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论针对平流层飞艇定点保持模式的非线性系统设计了一种非线性控制律,并证明了所得到的闭环系统是全局渐近稳定的。通过数学仿真验证了该控制方法对非线性系统控制的有效性。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计,文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N-S方程,采用非结构网格的有限体积方法进行了求解;空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式;紊流模型分别采用了S-A一方程模型M-SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题,为平流层飞艇设计提供参考依据。     

平流层飞艇优化方法和设计参数敏感性分析

平流层飞艇优化设计对飞艇体积、重量、成本、工作能力、承载能力等有重要影响。提出采用总重最小的优化目标对平流层飞艇进行优化,给出了平流层飞艇总体参数估算方法,建立了平流层飞艇优化流程,编制了计算程序,并对平流层飞艇进行了尺寸优化。分析表明:(1)为达到最小代价(总重或成本)的目标,平流层飞艇设计不能片面追求阻力最小或者浮力最大,应综合考虑浮力与推力,进行尺寸优化;(2)平流层飞艇运行地理纬度、在一年中的运行时段、抗风能力、有效载荷重量、再生燃料电池比能量、蒙皮比重量等参数对飞艇优化设计尺寸有重要的影响。     

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点，提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器，系统采用南瓜形超压气球体制，建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型，利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上，建立动力学模型和高度调控模型，针对我国某地风场模型，设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略，通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真，并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

Design,modeling and control for a stratospheric telecommunication platform

The stratospheric airship provides a unique and promising platform for broad band telecommunication relay missions, which combine the advantages of both terrestrial and satellite communication. In this paper, the conceptual design, dynamics modeling and attitude control of the stratospheric telecommunication platform are presented. First, the stratospheric telecommunication platform is introduced, including conceptual design, configuration, energy sources, propeller and payload. Second, dynamics model of the platform is derived form the Newton–Euler formulation and the station-keeping attitude control problem is formulated. Then, the adaptive fuzzy sliding mode control scheme is proposed to develop the attitude-tracking control system, with a particular focus on parametric uncertainties and external disturbances. Finally, simulation results verify the effectiveness and robustness of the proposed control scheme. The proposed conceptual design and control scheme provide a promising approach for telecommunication relay missions using the stratospheric station-keeping airship.     

电液伺服型并联式加注机器人运动轨迹跟踪控制

针对电液伺服型并联式加注机器人在实际任务中广泛存在的模型不确定和强外干扰问题，提出一种基于关节有限时间扰动估计(FTDO)的动力学解耦反步鲁棒控制策略。首先，将系统处理为一组受外部扰动关节子系统的集合，进而针对各关节通过设计两个有限时间扰动观测器实现了对关节中匹配与不匹配不确定性的有限时间同步精确估计和补偿。同时，基于系统的动力学解耦模型，通过设计反步鲁棒控制器保证了闭环系统的稳定性。最后，通过Lyapunov方法验证了闭环系统信号的有界性和关节跟踪误差的有限时间渐近收敛特性。试验结果表明，控制器在不同工况下均具有良好的轨迹跟踪性能和关节抗干扰能力，能够满足在实际加注任务中的应用需求 。     

对失控翻滚目标逼近的神经网络自适应滑模控制

针对失控航天器在空间中自由翻滚的情况，研究追踪器对失控翻滚目标逼近的位置和姿态六自由度耦合控制问题。建立追踪器与目标器相对运动的姿轨一体化动力学模型，设计追踪器逼近过程的标称轨迹和标称姿态。综合考虑系统不确定性和外部干扰，设计无抖振的神经网络自适应滑模控制器。将滑模控制与神经网络逼近相结合，采用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知部分进行自适应逼近。由Lyapunov方法导出神经网络自适应律，通过自适应权重的调节保证整个闭环系统的稳定性。数值模拟实例说明了所设计的标称轨迹和标称姿态的合理性，同时验证了神经网络自适应滑模控制器的有效性。     

应用跟踪微分器的高超声速飞行器的反演控制

针对存在参数摄动和外部干扰等不确定性的高超声速飞行器模型，提出一种基于新型跟踪微分器的鲁棒反演控制方法。利用正切sigmoid函数和终端吸引子函数设计跟踪微分器，通过扫频测试得到了参数整定规则，并进行了对比仿真试验。在此基础上，构造一种非线性干扰观测器对模型的不确定项进行估计，增强了控制器的鲁棒性；并利用所设计的跟踪微分器对虚拟控制量进行滤波处理，解决了传统反演控制的“微分项膨胀”问题。最后，通过仿真校验了所设计控制器的有效性。     

一种基于神经网络的快速回馈递推自适应控制

针对不确定严格反馈块控非线性系统,提出了一种快速回馈递推自适应控制方法。系 统的不确定性及外界干扰由RBF神经网络在线逼近,利用动态面控制技术简化回馈递推方法 的控制律,同时改进参数自适应律,使在线调整自适应参数显著减少,提高了控制算法的计 算效率。基于Lyapunov方法证明了闭环系统所有信号有界,跟踪误差指数收敛到有界紧集内 。最后进行了空天飞行器飞行控制系统设计,并在高超声速的条件下对其进行了仿真验证, 结果表明了该方法的有效性。     

远程操控飞行器自适应神经网络观测器设计

针对无人飞行器远程操控系统设计时，由于远程操控飞行器动力学的非线性和飞行器控制系统性能的不确定性，无法精确建立远程操控飞行器控制系统模型的问题，提出了一种自适应神经网络状态观测器设计方法实现对远程操控飞行器的控制系统模型的估计。首先将飞行器的动力学环节与自动驾驶仪构成的闭环回路作为一个整体建立了远程操控飞行器控制系统的非线性模型。然后针对模型中存在未建模动态的问题，采用神经网络算法对非线性动力学模型进行在线辨识，并引入鲁棒项对附加扰动进行抑制。最后设计自适应律对神经网络的权值进行实时调整，保证了系统的稳定性，并基于Lyapunov理论证明了观测器的估计误差是最终一致有界的。仿真结果表明，所设计的观测器能够保证远程操控飞行器在存在未建模动态和附加扰动的情况下对飞行状态具有良好的估计性能。